DE19940351B4 - Method of making a carbon sheet and an electrode - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Herstellung einer Kohlenstofflage, mit den Schritten:
Ausbilden einer Formlage durch Mischen von Kohlenstofffasern und eines Bindemittels;
Trocknen der Formlage;
Verdünnen einer Dispersion mit dispergierten Teilchen aus wasserabstoßendem Material;
Eintauchen der getrockneten Formlage in die verdünnte Dispersion;
Herausziehen der Formlage aus der Dispersion;
Brennen der Formlage, um daran in der Dispersion enthaltene Teilchen aus wasserabstoßendem Material zu fixieren; und
Oxidieren des Bindemittels, um dieses während des Brennens von der Formlage zu entfernen.A method of making a carbon sheet, comprising the steps of:
Forming a molded sheet by mixing carbon fibers and a binder;
Drying the mold layer;
Diluting a dispersion with dispersed particles of water repellent material;
Immersing the dried mold layer in the diluted dispersion;
Pulling the mold layer out of the dispersion;
Firing the mold sheet to fix water repellent material particles contained therein in the dispersion; and
Oxidize the binder to remove it from the mold layer during firing.
Description
Die Erfindung ist auf ein Verfahren zur Herstellung einer Kohlenstofflage gerichtet, insbesondere einer Kohlenstofflage, die als Ausgangsmaterial für eine Elektrode einer Brennstoffzelle verwendet wird.The invention is based on a method directed to the production of a carbon layer, in particular one Carbon layer used as the starting material for an electrode of a fuel cell is used.
Im allgemeinen umfasst eine Brennstoffzelle viele in Schichtgestaltung angeordnete Zellen, wobei jede Zelle, die einen Membranelektrodenaufbau (nachstehend einfach als "MEA" bezeichnet) darstellen soll, eine Ionenaustauschmembran aufweist, die zwischen zwei porösen, elektrisch leitenden Substraten, d.h. eine Brennstoffelektrode und eine Sauerstoffelektrode, angeordnet ist.In general, a fuel cell comprises many cells arranged in a layer design, each cell having one Represent membrane electrode assembly (hereinafter simply referred to as "MEA") should have an ion exchange membrane, which is between two porous, electrical conductive substrates, i.e. a fuel electrode and an oxygen electrode, is arranged.
An der Brennstoffelektrode findet
die folgende Reaktion statt, wenn sie mit einem Brennstoffgas versorgt
wird, das darin als Hauptkomponente Wasserstoff enthält.
The following reaction takes place on the fuel electrode when it is supplied with a fuel gas containing hydrogen as its main component.
Die sich ergebenden Wasserstoffionen
(4H+) treten durch die Ionenaustauschmembran,
um an die Sauerstoffelektrode zu gelangen, die mit Sauerstoff versorgt
wird. Die bei der vorstehenden Reaktion erzeugten Elektronen (4e–)
gelangen mittels einer Verbindungsleitung an die Sauerstoffelektrode.
Als Folge davon findet an der Sauerstoffelektrode die folgende Reaktion
statt.
4H+ + 4e– +
O2 → 2H2O
The resulting hydrogen ions (4H + ) pass through the ion exchange membrane to reach the oxygen electrode, which is supplied with oxygen. The electrons (4e - ) generated in the above reaction reach the oxygen electrode by means of a connecting line. As a result, the following reaction takes place on the oxygen electrode.
4H + + 4e - + O 2 → 2H 2 O
Diese Brennstoffzelle arbeitet demnach als eine Batterie, da sie zur Erzeugung elektrischen Stroms Elektronen erzeugt. Aufgrund der Tatsache, dass die obengenannte Erzeugung elektrischen Stroms auf dem Umkehrvorgang der Elektrolyse von Wasser beruht, bei dem bis auf in Flüssigphase befindliches Wasser keine weiteren Abgasstoffe abgegeben werden, ist ein derartiger elektrischer Stromerzeuger als sauberer oder verschmutzungsfreier Stromerzeuger in den Mittelpunkt des Interesses getreten.This fuel cell works accordingly than a battery because it is used to generate electrons generated. Due to the fact that the above generation electric current on the reverse process of electrolysis of water based, except for in the liquid phase no further exhaust gases are released into the water, is such an electric power generator as cleaner or pollution-free power generator in the center of interest resigned.
Um eine so weit wie möglich gehende Verringerung von Luftverschmutzung zu erzielen, wünscht man sich eine weite Verbreitung elektrisch angetriebener Fahrzeuge, in denen Brennstoffzellen eingebaut sind. Dieser Wunsch ist jedoch noch nicht Wirklichkeit geworden. Der Hauptgrund dafür ist, dass die Herstellungskosten der Brennstoffzelle an sich zu hoch sind. Angesichts der Tatsache, dass der Hauptanteil der Herstellungskosten der Brennstoffzelle von den Herstellungskosten der jeweiligen Elektroden gebildet wird, ist es sehr wichtig, eine Senkung der Elektrodenkosten zu erreichen.To go as far as possible It is desirable to reduce air pollution there is a wide spread of electrically powered vehicles, in which fuel cells are installed. However, this desire is has not yet become a reality. The main reason for this is that the manufacturing cost of the fuel cell itself is too high. Given that the bulk of manufacturing costs of the fuel cell from the manufacturing costs of the respective electrodes it is very important to reduce electrode costs to reach.
Eine herkömmliche Brennstoff- oder Sauerstoffzelle liegt in Form einer einen Katalysator tragenden Kohlenstofflage vor, die erhalten wird, wenn ein wasserabweisend behandeltes Kohlenstoffpapier einen Katalysator trägt. Von einer derartigen Kohlenstofflage wird verlangt, dass sie eine hohe Gasdurchlässigkeit, eine hervorragende elektrische Leitfähigkeit, eine hohe Wasserabweisung, thermische und chemische Stabilität und geringe Herstellungskosten aufweist.A conventional fuel or oxygen cell is in the form of a carbon layer carrying a catalyst before, which is obtained when a water-repellent treated carbon paper carries a catalyst. Such a carbon sheet is required to have a high gas permeability, excellent electrical conductivity, high water repellency, has thermal and chemical stability and low manufacturing costs.
Die vorstehend angesprochene Erzeugung von Wasser an der Sauerstoffelektrode kann zu einem Problem führen, falls sich im Oxidationsmittelströmungsfeld zu viel Wasser sammelt. Falls der Oxidationsmittelstrom gesättigt ist, kann eine Zweiphasenströmung auftreten, d.h. der Oxidationsmittelstrom kann Wasserdampf und Flüssigkeitstropfen enthalten. Flüssiges Wasser in der Oxidationsmittelströmung kann die poröse Elektrode überfluten und das Oxidationsmittel daran hindern, den Katalysator auf der Sauerstoffelektrode zu erreichen.The generation of Water on the oxygen electrode can cause a problem if itself in the oxidant flow field collects too much water. If the oxidant stream is saturated, can be a two-phase flow occur, i.e. the oxidant stream can contain water vapor and liquid drops. liquid Water in the oxidant flow can flood the porous electrode and the oxidizer prevent the catalyst on the To reach oxygen electrode.
Um ein derartiges "Überflutungs"-Problem zu lösen, ist bekanntermaßen wirksam,
das erzeugte Wasser rasch abzuführen,
indem die Elektrode feucht gehalten wird. In der
Bei der erstgenannten Druckschrift ist für eine Brennstoffzelle einer festen hochmolekularen Elektrolysebauart eine Elektrode in Form einer einen Katalysator tragenden Kohlenstofflage vorgesehen. Diese Elektrode wird durch die Schritte Herstellen eines kommerziell verfügbaren Kohlenstoffpapiers, das eine Porosität von 80% aufweist, Eintauchen des Kohlenstoffpapiers in eine Flüssigkeit, in der der Polytetrafluorethylenfamilie zugehörige Teilchen dispergiert sind, Entfernen des Kohlenstoffpapiers aus der Flüssigkeit und Brennen des Kohlenstoffpapiers erhalten.In the first mentioned publication is for one Solid high molecular electrolysis type fuel cell Electrode in the form of a carbon layer carrying a catalyst intended. This electrode is made through the steps of manufacturing a commercially available Immerse carbon paper that has a porosity of 80% the carbon paper into a liquid in the polytetrafluoroethylene family associated Particles are dispersed, removing the carbon paper the liquid and burning the carbon paper.
Das obengenannte kommerziell verfügbare Kohlenstoffpapier wird jedoch derart hergestellt, dass eine Kohlenstofffaser, nachdem sie mit einem wärmehärtbaren Material kombiniert wurde, unter der Bedingung einer inaktiven Umgebung bei einer Temperatur von nicht weniger als 1000°C einem Heißpressvorgang unterzogen wird, der hohe Herstellungskosten zur Folge hat. Eine Brennstoffzelle, bei der eine derartige Elektrode eingesetzt wird, wird somit sehr teuer, was bedeutet, dass sich die ergebende Brennstoffzelle nur schwer in eine praktische Nutzung überführen lässt.The above commercially available carbon paper However, is manufactured in such a way that a carbon fiber after them with a thermosetting Material was combined under the condition of an inactive environment subjected to hot pressing at a temperature of not less than 1000 ° C, which results in high manufacturing costs. A fuel cell, in which such an electrode is used, is therefore very expensive, which means that the resulting fuel cell only difficult to convert into practical use.
Bei der letztgenannten Druckschrift wird eine Außenfläche eines Elektrodensubstrats mit einem wasserabweisenden Material beschichtet, indem das Substrat einem Gas aus einem durch Plasmabehandlung aktivierten Fluorkohlenwasserstoff ausgesetzt wird. Für den Einsatz eines derartigen Verfahrens ist jedoch eine speziell gestaltete großtechnische Anlage oder Ausrüstung erforderlich, was bedeutet, dass eine derartige Elektrode nicht zur Massenfertigung geeignet ist und vom Gesichtspunkt der Herstellungskosten nicht akzeptabel sein kann.In the latter publication becomes an outer surface of a Electrode substrate coated with a water-repellent material, by activating the substrate from a gas from a plasma treatment Fluorocarbon is exposed. For the use of such However, the process is a specially designed industrial one Plant or equipment required, which means that such an electrode is not is suitable for mass production and from the point of view of manufacturing costs may not be acceptable.
Die Hauptaufgabe der Erfindung ist daher, zu geringeren Kosten als üblich eine Kohlenstofflage zur Verfügung zu stellen, die bezüglich der wasserabweisenden Wirkung eine hohe Beständigkeit besitzt.The main object of the invention is therefore, at a lower cost than usual a carbon layer is available to ask who regarding the water-repellent effect has a high resistance.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung einer eine derartige Kohlenstofflage verwendenden Elektrode bereitzustellen.Another object of the invention is a method of making such a carbon sheet to use the electrode.
Zur Lösung der obengenannten Aufgaben sieht die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Kohlenstofflage gemäß Patentanspruch 1 und ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrode gemäß Patentanspruch 7 vor.To solve the above tasks looks the invention a method for producing a carbon layer according to claim 1 and a method for producing an electrode according to claim 7 before.
Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Falls das Dispersionsmittel dabei auf Wasser basiert, ist anstelle der in Patentanspruch 5 genannten Pulpe als Material zur Absorption des Dispersionsmittels auch ein Wasserabsorptionsharz wie etwa Polyacrylsäureharz, Polyvinylalkoholharz oder Polyacrylamidharz einsetzbar, und falls das Dispersionsmittel ölig ist, ist ein Ölabsorptionsharz wie etwa Alkylstyrol oder Alkylmethacrylat einsetzbar.Developments of the invention are the subclaims refer to. If the dispersant is based on water, is instead of the pulp mentioned in claim 5 as a material also a water absorption resin to absorb the dispersant such as polyacrylic acid resin, Polyvinyl alcohol resin or polyacrylamide resin can be used, and if the dispersant is oily is an oil absorption resin such as alkyl styrene or alkyl methacrylate.
Die Erfindung wird nun eingehender unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
-
1 eine Querschnittansicht einer Brennstoffzelle mit Elektroden, die jeweils Kohlenstofflagen gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung einsetzen; -
2 ein grafische Darstellung der Versuchsergebnisse bei dem ersten Ausführungsbeispiel und einem ersten Vergleichsbeispiel; -
3 eine Tabelle der Tragemenge an PTFE und des elektrischen Widerstands jeder Kohlenstofflage; -
4 eine Tabelle der Versuchsergebnisse hinsichtlich der Beständigkeit der wasserabweisenden Wirkung; -
5 eine Tabelle der Versuchsergebnisse der Stabilität jeder Brennstoffzelle; -
6 eine Querschnittansicht einer Brennstoffzelle mit Elektroden, die jeweils Kohlenstofflagen gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung einsetzen; und -
7 ein eine grafische Darstellung von Versuchsergebnissen bei einem dritten Ausführungsbeispiel und dem ersten Ausführungsbeispiel.
-
1 a cross-sectional view of a fuel cell with electrodes, each using carbon layers according to a first embodiment of the invention; -
2 a graphical representation of the test results in the first embodiment and a first comparative example; -
3 a table of the carrying amount of PTFE and the electrical resistance of each carbon layer; -
4 a table of the test results with regard to the resistance of the water-repellent effect; -
5 a table of the experimental results of the stability of each fuel cell; -
6 a cross-sectional view of a fuel cell with electrodes, each using carbon layers according to a second embodiment of the invention; and -
7 a graphical representation of test results in a third embodiment and the first embodiment.
[Erstes Ausführungsbeispiel]First Embodiment
– Sauerstoffelektrodenausbildung –- Oxygen electrode training -
Es wird eine Schlämme zur Papierherstellung erzeugt, indem Kohlenstofffaserfilamente, von denen jedes typischerweise einen Durchmesser von 13 μm und eine Länge von 3 mm aufweist, und eine Pulpe aus Holzcellulosefasern in einem Gewichtsverhältnis von 1 : 1 in Wasser dispergiert werden. Die Schlämme wird mittels eines Verfahrens, das der Herstellung von Papier ähnlich ist, zu einer Formlage ausgebildet. Dann wird die sich ergebende Formlage geschnitten, um eine Elektrodensubstratlage mit einer Abmessung von 160 mm × 160 mm herzustellen.A slurry is made for papermaking, by carbon fiber filaments, each typically a diameter of 13 μm and a length of 3 mm, and a pulp made of wood cellulose fibers in a weight ratio of Be dispersed 1: 1 in water. The slurry is made using a process that is similar to making paper is formed into a shape layer. Then the resulting one Shape sheet cut to an electrode substrate sheet with one dimension of 160 mm × 160 mm to manufacture.
Eine derartige Elektrodensubstratlage
wird für
2 Minuten in eine verdünnte
Dispersion mit dispergierten PTFE-Teilchen eingetaucht, die gebildet wird, indem
eine Flüssigkeit
mit dispergierten PTFE-Teilchen derart mit einer Wassermenge verdünnt wird, dass
der Anteil der PTFE-Teilchen
Eine Entwässerung der Elektrodensubstratlage wird erzielt, indem diese in eine 80°C warme Umgebung gebracht wird. Danach wird die sich ergebende Elektrodensubstratlage für 60 Minuten in 390°C heißer Umgebungsluft gehalten, wodurch die PTFE-Teilchen auf den Oberflächen der Kohlenstofffasern fixiert werden und gleichzeitig die in der Elektrodensubstratlage enthaltene Pulpe durch Oxidation und Gasifizierung beseitigt wird. Auf diese Weise wird eine Kohlenstofflage erhalten, die ein wasserabstoßendes Material trägt. Das obengenannte PTFE wird verwendet, um auf der Elektrodensubstratlage für eine wasserabweisende Wirkung zu sorgen, und dient anstelle der daraus entfernten oder herausgetriebenen Pulpe als Bindemittel, um die Kohlenstofffasern aneinander zu binden. Die Form der Kohlenstofflage kann somit unverändert bleiben.Drainage of the electrode substrate layer is achieved by placing it in an 80 ° C warm environment. After that, the resulting electrode substrate layer is left for 60 minutes at 390 ° C hot Ambient air is kept, causing the PTFE particles on the surfaces of the Carbon fibers are fixed and at the same time that in the electrode substrate layer contained pulp is removed by oxidation and gasification. In this way a carbon layer is obtained which is a water repellent material wearing. The Above mentioned PTFE is used on the electrode substrate layer for a water repellent Effect and serves instead of the removed or expelled pulp as a binder to the carbon fibers to bind to each other. The shape of the carbon layer can therefore remain unchanged.
Die Durchlässigkeit der Kohlenstofflage wurde nach JIS (Japanese Industrial Standard) geprüft, indem bei einem Zylinder mit einer Bohrung von 10 die verstrichene Zeit für den vollständigen Austritt von 300 cm3 Luft gemessen wurde. Das Ergebnis war 0,8 Sekunden, was auf die hervorragende Durchlässigkeit der Elektrodensubstratlage hinwies. Die Abschnitte nach dem Entfernen der Pulpe liegen in Form von Löchern vor, die als Gasexpansionskanäle dienen, wodurch die Durchlässigkeit der Elektrodensubstratlage erhöht wird. Kurz gesagt dient die Pulpe zusätzlich zu ihrer Funktion als Bindemittel als Locherzeugungsmittel.The permeability of the carbon layer was tested according to JIS (Japanese Industrial Standard) by measuring the elapsed time for a complete escape of 300 cm 3 of air in a cylinder with a bore of 10. The result was 0.8 seconds, which indicated the excellent permeability of the electrode substrate layer. The sections after pulp removal are in the form of holes that serve as gas expansion channels, thereby increasing the permeability of the electrode substrate layer. In short, the pulp serves as a hole-making agent in addition to its function as a binder.
Der Versuch, den Widerstand der Kohlenstofflage zu messen, erfolgte auf derartige Weise, dass die Kohlenstofflage in Sandwichanordnung zwischen Kupferelektroden gesetzt wurde, die jeweils einen Durchmesser von 35,7 mm und eine Fläche von 10 cm2 aufwiesen, und diese drei Elemente unter einem Druck von 196 N/cm2 (20 kgf/cm2) mit Schrauben festgezogen wurden. Das Ergebnis betrug 3,2 mΩ.The attempt to measure the resistance of the carbon layer was carried out in such a way that the carbon layer was sandwiched between copper electrodes, each having a diameter of 35.7 mm and an area of 10 cm 2 , and these three elements under egg pressure of 196 N / cm 2 (20 kgf / cm 2 ) were tightened with screws. The result was 3.2 mΩ.
Es wird eine Paste hergestellt, indem Rußteilchen und ein Ethylenglykol gemischt werden. Die Paste wird auf der Kohlenstofflage durch Siebdruck aufgebracht, um darin imprägniert zu werden. Während die Kohlenstofflage dann für 2 Stunden bei 80°C in ein Vakuum gesetzt wird, wird das Ethylenglykol durch Verdampfen entfernt, sodass die Rußteilchen auf der Kohlenstofflage zurückbleiben. Die sich ergebene Kohlenstofflage wird wiederum für 2 Minuten in die vorstehend erwähnte verdünnte Dispersion mit dispergierten PTFE-Teilchen eingetaucht, wonach eine Entwässerung der Kohlenstofflage erfolgt, indem diese in eine 80°C warme Umgebung gesetzt wird. Danach wird die sich ergebene Kohlenstofflage für 60 Minuten in 390°C heißer Umgebungsluft gehalten, wodurch die PTFE-Teilchen an den Oberflächen der Kohlenstofffasern und des Rußes fixiert werden.A paste is made by soot particles and an ethylene glycol are mixed. The paste is on the carbon layer applied by screen printing to be impregnated therein. While the Carbon layer then for 2 hours at 80 ° C in a vacuum is set, the ethylene glycol is evaporated removed so that the soot particles on remain in the carbon layer. The resulting carbon layer is again for 2 minutes in the above diluted Dispersion with dispersed PTFE particles immersed, after which a drainage The carbon layer is done by placing it in an 80 ° C warm environment is set. After that, the resulting carbon layer is left for 60 minutes at 390 ° C hot Ambient air is kept, causing the PTFE particles on the surfaces of the Carbon fibers and carbon black be fixed.
Als nächstes wird eine Katalysatorpaste hergestellt, indem Platin tragender Kohlenstoff, der 40 Gew.-% Platin enthält, Wasser, eine unter dem Namen Ashiplex-Lösung SS-1080 von Asai Kasei Co., Ltd. angebotene Ionenaustauschlösung und ein Isopropylalkohol mit einem Gewichtsverhältnis von 1 : 1,5 : 1,5 : 1,5 Kohlenstoff gut vermischt werden, und gemäß einem Schabermesserverfahren mit einer Dicke von etwa 300 μm an einer Seite der Kohlenstofflage auf die gesamte Oberfläche aufgebracht. Die sich ergebende Kohlenstofflage wird getrocknet, um den Isopropylalkohol zu entfernen, wodurch eine Sauerstoffelektrode hergestellt wird. Die Menge des auf der Sauerstoffelektrode getragenen Platins beträgt etwa 0,4 mg pro Einheitsfläche (cm2) der Sauerstoffelektrode.Next, a catalyst paste is prepared by using platinum-bearing carbon containing 40% by weight of platinum water, a product known as Ashiplex solution SS-1080 from Asai Kasei Co., Ltd. Offered ion exchange solution and an isopropyl alcohol with a weight ratio of 1: 1.5: 1.5: 1.5 carbon are mixed well, and applied according to a doctor knife method with a thickness of about 300 microns on one side of the carbon layer on the entire surface. The resulting carbon sheet is dried to remove the isopropyl alcohol, thereby producing an oxygen electrode. The amount of platinum carried on the oxygen electrode is about 0.4 mg per unit area (cm 2 ) of the oxygen electrode.
– Brennstoffelektrodenausbildung –- Fuel electrode training -
Eine Brennstoffelektrode wird mit Ausnahme dessen, dass der PTFE-Eintauchvorgang zweimal erfolgt und die Kohlenstofflage der Brennstoffelektrode anstelle des Platin tragenden Kohlenstoffs einen Platin-Ruthenium tragenden Kohlenstoff verwendet, mittels eines ähnlichen Verfahrens wie zur Ausbildung der Sauerstoffelektrode hergestellt. Eine der Seiten der Kohlenstofflage der Brennstoffelektrode ist mit einem Platin-Ruthenium tragenden Kohlenstoff als Katalysator beschichtet. Die Menge des auf der Brennstoffelektrode getragenen Platins beträgt etwa 0,3 mg pro Einheitsfläche (cm2) der Brennstoffelektrode.A fuel electrode is manufactured by a method similar to that for forming the oxygen electrode, except that the PTFE immersion operation is performed twice and the carbon layer of the fuel electrode uses platinum-ruthenium-bearing carbon instead of the platinum-bearing carbon. One side of the carbon layer of the fuel electrode is coated with a platinum-ruthenium-bearing carbon as a catalyst. The amount of platinum carried on the fuel electrode is about 0.3 mg per unit area (cm 2 ) of the fuel electrode.
Der Grund, warum sich der Herstellungsvorgang der Sauerstoffelektrode von dem der Brennstoffelektrode unterscheidet, besteht in dem Wasserverhalten der Brennstoffzelle. Im einzelnen muss bei einer Inbetriebnahme der Brennstoffzelle beiden Elektroden Wasser zugeführt werden, Es wird daher von jeder Elektrode verlangt, dass sie eine wasserabweisende Wirkung hat, um zu vermeiden, dass die Katalysatoren der jeweiligen Elektroden unter Wasser stehen. Im stabilen Zustand der Brennstoffzelle muss die Sauerstoffelektrode jedoch infolge der Wassererzeugung durch den chemischen Reaktionszwang immer noch eine wasserabweisende Wirkung zeigen, während der Ruß nahe dem Katalysator der Brennstoffelektrode angesichts der Tatsache, dass sich die an der Brennstoffelektrode erzeugten Wasserstoffionen zusammen mit Wasser bewegen müssen, hydrophil sein muss.The reason why the manufacturing process the oxygen electrode differs from that of the fuel electrode, consists in the water behavior of the fuel cell. In detail must have both electrodes when starting up the fuel cell Water supplied Each electrode is therefore required to be a has water repellent effect to avoid the catalysts of the respective electrodes are under water. In stable condition however, the oxygen electrode must follow the fuel cell water production due to the chemical reaction show a water-repellent effect, while the soot near the Fuel electrode catalyst given that the hydrogen ions generated at the fuel electrode have to move with water must be hydrophilic.
[Vergleichsbeispiel 1]Comparative Example 1
– Sauerstoffelektrodenausbildung –- Oxygen electrode training -
Es wird eine Elektrodensubstratlage
hergestellt, indem ein Kohlenstoffpapier mit einer Dicke von 0,23
mm (von Toray unter der Bezeichnung TGP-H-060 angeboten) in eine
160 mm × 160
mm große
Konfiguration geschnitten wird und durch einen PTFE-Imprägnierungsvorgang
eine Kohlenstoff lage erhalten wird, die der in Beispiel
Ähnlich
wie bei dem Verfahren in Beispiel
– Brennstoffelektrodenausbildung –- Fuel electrode training -
Eine Brennstoffelektrode wird mit Ausnahme dessen, dass anstelle des Platin tragenden Kohlenstoffs ein Platin-Ruthenium tragender Kohlenstoff verwendet wird, ähnlich wie bei dem Sauerstoffelektroden-Herstellungsverfahren hergestellt. Die Menge des auf der Brennstoffelektrode getragenen Platins beträgt etwa 0,3 mg pro Einheitsfläche (cm2) der Brennstoffelektrode.A fuel electrode is manufactured similarly to the oxygen electrode manufacturing process except that a platinum-ruthenium-bearing carbon is used instead of the platinum-bearing carbon. The amount of platinum carried on the fuel electrode is about 0.3 mg per unit area (cm 2 ) of the fuel electrode.
[Beurteilungsverfahren 1][Evaluation method 1]
In
Mittels des Lufteinlasses
[Vergleichsergebnis 1][Comparison result 1]
Die Beurteilungsergebnisse für das erste Ausführungsbeispiel
und das erste Vergleichsbeispiel sind in der grafischen Darstellung
in
Bei dem obengenannten ersten Ausführungsbeispiel kann zusammen mit der Pulpe ein der anorganischen Familie zugehöriges Dispergiermittel oder ein anderes anorganisches Bindemittel zu der Schlämme hinzugegeben werden. In Hinblick auf die Lagenausbildung ist ein Faservliesausbildungsverfahren und ein Schabermesserverfahren einsetzbar, bei denen eine Kohlenstofffasern und Bindemittel enthaltende Schlämme verwendet wird.In the above first embodiment can together with the pulp a dispersant belonging to the inorganic family or another inorganic binder is added to the slurry become. In terms of ply formation is a nonwoven formation process and a doctor knife method can be used, in which a carbon fiber and sludge containing binders is used.
[Zweites Ausführungsbeispiel]Second Embodiment
– Sauerstoffelektrodenausbildung –- Oxygen electrode training -
Es wird eine Schlämme zur Papierherstellung erzeugt, indem Kohlenstofffaserfilamente, von denen jedes typischerweise einen Durchmesser von 14,5 μm und eine Länge von 6 mm aufweist, und eine Pulpe als Material zur Absorption eines Dipersants mit einem Gewichtsverhältnis von 4 : 6 in Wasser dispergiert werden. Die Schlämme wird mittels eines Verfahrens, das dem zur Herstellung von Papier ähnlich ist, zu einer Formlage mit einer Dicke von etwa 0,3 mm ausgebildet. Dann wird die sich ergebende Formlage geschnitten, um eine Elektrodensubstratlage mit einer Abmessung von 160 mm × 160 mm herzustellen.A slurry is made for papermaking, by carbon fiber filaments, each typically a diameter of 14.5 μm and a length of 6 mm, and a pulp as a material for absorbing a Dipersants with a weight ratio of 4: 6 dispersed in water become. The mud using a process similar to that used to make paper, formed to a shape layer with a thickness of about 0.3 mm. Then the resulting mold layer is cut to an electrode substrate layer with a dimension of 160 mm × 160 mm to manufacture.
Eine derartige Elektrodensubstratlage
wird für
2 Minuten in eine verdünnte
Dispersion mit dispergierten PTFE-Teilchen eingetaucht, die gebildet wird, indem
eine Flüssigkeit
mit dispergierten PTFE-Teilchen derart mit einer Wassermenge verdünnt wird, dass
der Anteil der PTFE-Teilchen
Eine Entwässerung der Elektrodensubstratlage wird erzielt, indem diese in eine 80°C warme Umgebung gebracht. wird. Danach wird die sich ergebende Elektrodensubstratlage für 60 Minuten in 390°C heißer Umgebungsluft gehalten, wodurch die PTFE-Teilchen auf den Oberflächen der Kohlenstofffasern fixiert werden und gleichzeitig die in der Elektrodensubstratlage enthaltene Pulpe durch Oxidation und Gasifizierung beseitigt wird. Auf diese Weise wird eine Kohlenstofflage erhalten, die ein wasserabstoßendes Material trägt.Drainage of the electrode substrate layer is achieved by placing it in an 80 ° C warm environment. becomes. After that, the resulting electrode substrate layer is left for 60 minutes at 390 ° C hot Ambient air is kept, causing the PTFE particles on the surfaces of the Carbon fibers are fixed and at the same time that in the electrode substrate layer contained pulp is removed by oxidation and gasification. In this way a carbon layer is obtained which is a water repellent material wearing.
Das obengenannte PTFE wird verwendet, um auf der Elektrodensubstratlage für eine wasserabweisende Wirkung zu sorgen, und dient anstelle der daraus entfernten oder herausgetriebenen Pulpe als Bindemittel, um die Kohlenstofffasern aneinander zu binden. Die Form der Kohlenstofflage kann somit unverändert bleiben.The above PTFE is used to on the electrode substrate layer for to provide a water-repellent effect, and serves instead of pulp removed or expelled therefrom as a binder, to bind the carbon fibers together. The shape of the carbon layer can thus remain unchanged stay.
Ähnlich wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel wird die Kohlenstofflage schließlich zu einer Platin tragenden Sauerstoffelektrode ausgebildet. Die Menge des auf der Sauerstoffelektrode getragenen Platins beträgt etwa 0,4 mg pro Einheitsfläche (cm2) der Sauerstoffelektrode.Similar to the first embodiment, the carbon layer is finally formed into a platinum-bearing oxygen electrode. The amount of platinum carried on the oxygen electrode is about 0.4 mg per unit area (cm 2 ) of the oxygen electrode.
– Brennstoffelektrodenausbildung –- Fuel electrode training -
Es wird eine Brennstoffelektrode hergestellt, die mit der des ersten Ausführungsbeispiels mit Ausnahme dessen identisch ist, dass die Flüssigkeit mit den dispergierten PTFE-Teilchen bei diesem Verfahren 20 Gew.-% PTFE-Teilchen enthält. Die Menge des auf der Brennstoffelektrode getragenen Platins beträgt etwa 0,3 mg pro Einheitsfläche (cm2) der Brennstoffelektrode.A fuel electrode is produced which is the same as that of the first exemplary embodiment Assumption is identical that the liquid with the dispersed PTFE particles in this process contains 20 wt .-% PTFE particles. The amount of platinum carried on the fuel electrode is about 0.3 mg per unit area (cm 2 ) of the fuel electrode.
[Vergleichsbeispiel 2]Comparative Example 2
Es werden eine Sauerstoffelektrode und eine Brennstoffelektrode derart hergestellt, dass sie mit Ausnahme dessen, dass jedes Kohlenstoffpapier eine Dicke von 0,23 mm aufweist (von Toray unter der Bezeichnung TGP-H-060 angeboten), bezüglich Aufbau und Herstellungsverfahren mit dem zweiten Ausführungsbeispiel identisch sind.It will be an oxygen electrode and a fuel electrode is manufactured so that it can, with exception that each carbon paper has a thickness of 0.23 mm (offered by Toray under the designation TGP-H-060), regarding construction and manufacturing method are identical to the second embodiment.
[Vergleichsbeispiel 3]Comparative Example 3
Es werden eine Sauerstoffelektrode und eine Brennstoffelektrode derart hergestellt, dass sie, dass sie mit Ausnahme dessen, dass jedes Kohlenstoffpapier eine Dicke von 0,23 mm aufweist (von Nihon Carbon unter der Bezeichnung P-7 angeboten), bezüglich Aufbau und Herstellungsverfahren mit dem zweiten Ausführungsbeispiel identisch sind.It will be an oxygen electrode and a fuel electrode manufactured so that they except that each carbon paper has a thickness of 0.23 mm (offered by Nihon Carbon under the designation P-7), in terms of Structure and manufacturing method with the second embodiment are identical.
[Beurteilungsverfahren 2][Evaluation method 2]
Es erfolgt eine Beurteilung auf Grundlage einer Messung der Tragemenge an wasserabstoßendem Material auf der Kohlenstofflage, einer Messung des elektrischen Widerstands der Kohlenstofflage sowie einer Messung der Beständigkeit der wasserabweisenden Wirkung der Kohlenstofflage und einer Messung der Stabilität des MEA. An assessment is made on the basis a measurement of the carrying amount of water-repellent material on the carbon layer, a measurement of the electrical resistance of the carbon layer and a measure of durability the water-repellent effect of the carbon layer and a measurement of stability of the MEA.
Die Messung der Tragemenge an wasserabweisendem Material auf der Kohlenstofflage erfolgt durch Bestimmen des Gewichtsanteils an PTFE als wasserabweisendes Material bezüglich der Kohlenstofffaser in der Kohlenstofflage. Die Messung des elektrischen Widerstands der Kohlenstofflage erfolgt derart, dass die Kohlenstofflage in ein 35,7 × 35,7 mm großes Quadrat geschnitten wird, die sich ergebende Kohlenstofflage unter einem Druck von 392 N/cm2 (40 kgf/cm2) zwischen einem Paar identischer Kupferplatten gehalten wird und entlang des sich ergebenden Aufbaus ein elektrischer Strom aufgebracht wird. Die Messung der Beständigkeit der wasserabweisenden Wirkung der Kohlenstofflage erfolgt auf derartige Weise, dass die Kohlenstofflage bei einer Temperatur von 80°C auf stabile Weise auf Wasser treiben gelassen wird, wobei die Zeitdauer bestimmt wird, bis die Kohlenstofflage beginnt, im Wasser zu sinken.The measurement of the carrying amount of water-repellent material on the carbon layer is carried out by determining the proportion by weight of PTFE as water-repellent material with respect to the carbon fiber in the carbon layer. The electrical resistance of the carbon layer is measured such that the carbon layer is cut into a 35.7 × 35.7 mm square, the resulting carbon layer under a pressure of 392 N / cm 2 (40 kgf / cm 2 ) between one Is held pair of identical copper plates and an electric current is applied along the resulting structure. The measurement of the durability of the water repellent effect of the carbon sheet is carried out in such a way that the carbon sheet is floated on water at a temperature of 80 ° C., the time period until the carbon sheet begins to sink in the water.
Die Messung der Beständigkeit
des MEA erfolgt ähnlich
wie bei der vorstehenden Beurteilung
[Beurteilungsergebnis 2][Judgment result 2]
Die in
Wenn die Elektrodensubstratlage in die verdünnte Dispersion mit dispergierten PTFE-Teilchen eingetaucht wird, absorbiert die Pulpe das Wasser, das bei der Flüssigkeit mit dispergierten PTFE-Teilchen das Dispersionsmittel darstellt. Zusammen mit diesem Wasser gelangen die PTFE-Teilchen zu der Pulpe und haften daran an. Beim Brennen der Elektrodensubstratlage bei der Temperatur von 390°C wird die Pulpe gasifiziert, oxidiert und entfernt. Gleichzeitig schmelzen die PTFE-Teilchen, wodurch sie als Bindemittel zum Binden der Kohlenstofffasern wirken. Demnach werden die PTFE-Teilchen insbesondere in den Zwischenräumen getragen, die von den Pulpen besetzt waren, und kann die Kohlenstofffaser-Matrixstruktur aufrechterhalten werden, wodurch das wechselseitige Ineinandergreifen zwischen Kohlenstofffasern unverändert bestehen bleibt und ein Anstieg des elektrischen Widerstands ausbleibt. Die Kohlenstofflage erhält somit eine hervorragende elektrische Leitfähigkeit.If the electrode substrate layer is in the diluted Dispersion with dispersed PTFE particles is absorbed the pulp the water that dispersed with the liquid PTFE particles are the dispersant. Along with this Water the PTFE particles reach the pulp and adhere to it on. When burning the electrode substrate layer at the temperature of 390 ° C the pulp gasified, oxidized and removed. Melt at the same time the PTFE particles, which act as a binder to bind the carbon fibers. Accordingly, the PTFE particles especially in the gaps worn, which were occupied by the pulps, and can the carbon fiber matrix structure be maintained, whereby the mutual interlocking unchanged between carbon fibers remains and there is no increase in electrical resistance. Preserves the carbon layer thus excellent electrical conductivity.
Gemäß der in
Die in
Es ist zu beachten, dass die vorstehende Kohlenstofflage mit hervorragender poröser Wirkung auch für andere Elemente wie etwa einen elektrostatischen Filter für Luftreiniger, korrosionsbeständige Filter und einen Kollektor für Ni-MH-Elektroden verwendet werden kann.It should be noted that the above carbon layer with excellent porous Effect also for other elements such as an electrostatic filter for air purifiers, corrosion-resistant filter and a collector for Ni-MH electrodes can be used.
[Drittes Ausführungsbeispiel]Third Embodiment
Darüber hinaus ist anstelle des
gleichzeitigen Brennens und Oxidierens der Elektrodensubstratlage
auch Heißpressen
einsetzbar. Das Heißpressen
erfolgt auf derartige Weise, dass die Elektrodensubstratlage für 60 Minuten
bei einer Umgebungstemperatur von 390°C unter einem Druck von 100
bar (100 kg/cm2) in Sandwichanordnung zwischen
ein (nicht gezeigtes) Patrizen- und Matrizenpaar gesetzt wird. Die
sich ergebende Vorrichtung ist in
Angesichts der Tatsache, dass die Ausbildung eines Kanals in jedem der Separatoren sehr teuer ist, wird dadurch, dass der Kanal jeweils in den Sauerstoff- und Brennstoffelektroden ausgebildet wird, bei der Anfertigung des Membranelektrodenaufbaus eine Kostensenkung erreicht.Given that the Forming a channel in each of the separators is very expensive is that the channel is in the oxygen and fuel electrodes, respectively is trained in the manufacture of the membrane electrode assembly achieved a cost reduction.
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